【文章內(nèi)容簡介】 ?? ??????? ??? 江蘇工業(yè)學院本科生畢業(yè)設計（論文） 第 3 頁 ,共 58 頁 所以 12 條焊接接頭的長度為： mmll 12 ?????? 赤道帶和極帶之間的兩條環(huán)焊接接頭的長度為： mmRlcp os2921422c os22 13 ??????????? ??? 極帶共分七塊，極帶之間的兩條環(huán)焊接接頭的長度為： ?????? 所以以上焊接接頭總長合計為： 總結 從以上結果可以看出，橘瓣式球罐的焊接接頭長度比混合式球罐的焊接接頭長 度短，在加上橘瓣式球罐的加工簡單、方便。所以本次設計采用橘瓣式結構。 3 材料的選用 球罐的選材的基本原則 球罐是壓力容器的一種結構型式，因而在選材的基本要求方面與壓力容器相同。球罐與其他壓力容器相比有其特殊性。首先，球罐容積較大，應盡可能減少焊縫長度，要求鋼板具有足夠的寬度、長度和厚度；其次，球罐的安全性要求更高，一旦發(fā)生安全失效，影響和危害極大，要求材料要有更高的塑性和韌性儲備；第三，球罐是現(xiàn)場組焊、焊縫多、局部應力高，對焊材的可焊性要求高。因為球罐固有的特點，就必定會對材料提出特殊的要求， 球罐的選材主要應考慮球罐的使用條件（如設計溫度、設計壓力、結構特性等）、材料的焊接性能、球罐的制造工藝和組焊要求以及經(jīng)濟合理性。球罐用鋼應是鎮(zhèn)靜鋼，決不允許用沸騰鋼。 鋼材的力學性能 強度級別 強度級別主要指材料的屈服點 s? 及抗拉強度 b? 。目前，國際上有以屈服點作為材料級別的分類依據(jù)，也有以抗拉強度作為材料級別的分類依據(jù)，并且近年來以后者居多。如 62CF 、 2610U 、 F610 等。 （ 1） 抗拉強度 抗拉強度是材料的主要強度指標之一，它是材料在拉伸受力過程中，從開始加載至斷裂所能承受的最大應力，是決定材料許用應力的主要依據(jù)之一。 GB 228《金屬抗拉伸試驗方法》中給出了抗拉強度的定義和試驗方法。 （ 2） 屈服點 屈服點是指呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象的金屬材料，在所加外載荷不再增加（保持恒定），而材料仍繼續(xù)伸長變形時所對應的應力。對于在壓力容器行業(yè)中通常使用的材料，規(guī)定以殘余伸長率 0． 2％時的應力作為決定材料許用應力時 的屈服點． GB 228 中給出了試驗方江蘇工業(yè)學院本科生畢業(yè)設計（論文） 第 4 頁 ,共 58 頁 法。工程上常用屈強比，／ bs ??/ 作為壓力容器用鋼安全可靠性的參考指標。對于依據(jù)彈性準則設計的壓力容器元件，它表示承載能力的裕度。 bs ??/ ＝ 1 時，屬極端情況，這時任伺微小的超載都會導致元件的失效斷裂，因而不能用來制造壓力容器．當 bs ??/小于 時。雖然超載能力大，安全可靠性增大，但鋼材的利用率降低。 相同規(guī)格的球罐，選用較高級別的材料，球殼板厚度就較薄，球殼 重量就較輕，但較高級別的材料單價高，成形、組焊難度也高，焊接性能較差，故選用何種級別的材料應根據(jù)球罐的容器大小、儲存物料的性質(zhì)、球殼板的厚度等幾個方面綜合考慮。 韌性指標 韌性是保證材料避免產(chǎn)生裂紋，防止快速斷裂的重要指標，對球罐來講，顯得尤為重要。韌性指標很多，有考慮 “轉(zhuǎn)折溫度 ”的 V 形缺口沖擊實驗、落錘實驗（ NDT 溫度）、管板拉伸實驗，有考慮 “斷裂韌性 ”的 COD 及 K1c 等。由于韌性指標繁多，相互因?qū)嶒灧椒ú煌荒芙y(tǒng)一，但世界上各國從實用上將各種韌性指標與 V 形缺口沖擊實驗的吸收能量相聯(lián)系 ，以期達到簡單方便的目的。球罐從安全性考慮，應有較高的韌性儲備。 塑性指標 球罐在成形加工進程中必須經(jīng)受各種變形，鋼材良好的塑性是保證球殼板制造的前提條件，應具有一定的塑性，即要求有一定的伸長率（ ? ）和斷面收縮率（ ? ）。 可焊性 鋼材的可焊性指標有一下幾種。 （ 1） 碳當量 egC 國際焊接學會（ Ⅱ W）推薦用于低合金結構鋼的碳當量計算公式： ? ?%144540246 VMoCrNiSiMnCCeg ??????? 一般要求抗拉強度為 610MPa 級的低合金高強度鋼的 egC 控制在小于等于。 （ 2） 裂紋敏感性指數(shù) CP 碳當量與焊縫熱影響區(qū)硬度有一定的關系，但大量研究結構指出，以此來判斷裂紋出現(xiàn)的可能性不夠全面，因而采用考慮拘束度（材料厚度）和開裂性（焊縫中的含氫量）的裂紋敏感性指數(shù) CP 。 ? ?%60600510152060202030CPc HBVMoCrNiCuMnSi ??????????? ? 式中： mm—鋼板厚度，—? gmLH 1 0 0—焊縫中含氫量，— 。 在 ? 的情況下裂紋發(fā)生概率很大，而 ? 則裂紋發(fā)生概率較?。ㄟ€應考慮預熱影響）。由于 Pc 尚可得出 Y 形坡口拘束試驗中防止裂紋產(chǎn)生的預熱溫度及其經(jīng)驗關系為： 江蘇工業(yè)學院本科生畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁 ,共 58 頁 3921440 ?? CPT 式中： T——為防止 Y 形坡口拘束試驗產(chǎn)生裂紋的預熱溫度， ℃ （ 3） 裂 紋敏感系數(shù) cmP 裂紋敏感性指數(shù) cP 包括了板厚與焊縫金屬中擴散氫量兩項，與材料的關系不大，因而在考慮板材焊接裂紋時略去了該兩項，該兩項取消后引出了裂紋敏感性系數(shù) cmP 。 cmP實際上也是一種碳當量計算式，特別適用于屈服點大于 390MPa 級的高強度鋼。 ? ?%510152060202030CPc BVMoCrNiCuMnSi ????????? 耐腐蝕性能 儲存物料 對球罐造成的腐蝕破壞是非常嚴重的，腐蝕會使球罐表面受到破壞，產(chǎn)生 腐蝕坑、溝槽甚至裂紋，有的甚至腐蝕到金屬內(nèi)部并改變其組織，使鋼材的力學性能惡化，嚴重的可能使球罐因腐蝕而失效，甚至釀成重大事故。造成腐蝕的原因有多種，因而腐蝕類型也多種多樣，如一般腐蝕、晶間腐蝕、點蝕、堿脆、應力腐蝕、腐蝕疲勞等。應當注意，近年來 SH2 應力腐蝕已成為球罐腐蝕破壞的主要形式，所以，從選材上一定要考慮耐腐蝕的問題，物料中如含有 SH2 ，應盡可能選擇強度級 別比較低的鋼材。 經(jīng)濟性 對球罐用鋼提出了各種特殊要求，必將會在經(jīng)濟上增加成本。球罐用鋼材的價格在 整個球罐投資中占的比例較大，故在球罐選材上，經(jīng)濟性是必須重點考慮的問題。 選材 球罐材料不僅按其儲存物料的性質(zhì)．壓力，溫度等因素選定具有足夠強度的材料，而且還應考慮到所選材料應具有良好的焊接性能和加工性能，同時還應考慮材料的供給可靠性及經(jīng)濟性等。目前，我國球罐用鋼品種還較小，按 GB 12337 標準規(guī)定，主要有20R、 16MnR、 15MnNbR、 07MnCrMoVR、 16MnDR、 09MnNiDR 7 個鋼號。 鋼材 球罐用鋼板國外有兩條選材原則，歐洲國家廣泛采用屈服極限 294441MPa 級的中強鋼。屬于 MnSi、 MnV， MnNb 和 MnNiv 系鋼，厚度不加控制。 在國內(nèi)，隨著我國球罐高參數(shù)化（大容量，高壓力） 的發(fā)展，對材料強度級別和沖擊韌性的要求不斷提高。球罐受壓元件所采用的材料必須符合 GB150 1998《鋼制壓力容器》、 HG205811998 《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》以及 HG20585 1998《鋼制低溫壓力容器技術規(guī)定》的要求。非受壓元件所用材 料必須是列入國標和冶標的材料。 鑒于現(xiàn)在對球罐安全性能的要求，現(xiàn)階段我國常用的材料有： 20R， 16MnR，15MnVR， 15MnVNbR， SPV355， CF62， 07MnCrMoVR 等。 下面有幾種材料的對比表 ： 江蘇工業(yè)學院本科生畢業(yè)設計（論文） 第 6 頁 ,共 58 頁 表 材料對比表 鋼號 交貨狀 態(tài) 板厚 mm MPas? MPab? %s? JAKv 16MnR 熱軋或 正火 36—60 305 470 21? ? ?橫向℃2031? SPV355 熱軋或 控軋 36—60 355 520 18? ? ?縱向℃047? CF62 調(diào)制 20—50 490 610 27? ? ?縱向℃1527? 15MnNbR 正火 16—36 36—60 360 350 530—630 520—620 20? ? ?縱向℃2034? 焊接材料 鑒于球罐是在安裝現(xiàn)場進行焊接組裝，現(xiàn)階段以氣體保護焊居多，焊接材料的選用應嚴格按照 GBl2337 對氣體保護自動焊焊絲的規(guī)定。 殼體用鋼 表 力學性能及工藝性能 鋼號 標準號 交貨狀態(tài) 鋼板厚度 /mm 抗拉強度 MPab /? 屈服點 MPas /? 伸長率 MPas /? 沖擊功 MPas /? 冷彎 a2b? 180186。 不 小 于 16MnR GB6654 1996 熱軋控軋或正火 6—16 510—640 345 21 31 d=2a 16—36 490—620 325 d=3a 36—60 470—600 305 60—600 460—590 285 20 100—120 450—580 275 表 使用性能 鋼 號 鋼板 標準 使 用狀態(tài) 厚度 常溫強度 在下列溫度下的許用應 力 江蘇工業(yè)學院本科生畢業(yè)設計（論文） 第 7 頁 ,共 58 頁 b? MPa s? MPa 20 100 150 200 16MnR GB6654 正火 616 510 345 170 170 170 156 1636 490 325 163 163 163 156 3660 470 305 157 157 156 147 60100 460 285 150 150 147 138 100120 450 275 150 147 138 128 綜上所述，本課題選用 16MnR 鋼，它是我國 球罐 和壓力容器的基礎鋼種，它發(fā)展最早，最成熟穩(wěn)定，產(chǎn)量也最大，屬 345MPa 及的低合金鋼。它生產(chǎn)工藝簡單，綜合的力學性能，冷熱成型性和焊接性能都很好，時效脆化敏感性不高，處于世界領先水平。 鍛件用鋼 球罐的人孔、接管往往采用鍛件。人孔結構采用鍛件可避免補強結構。接管采用鍛件，增大自身補強，達到減少應力突變的目的。人孔鍛件級別不應低于 Ⅲ 級。人孔鍛件材料選用時，必須考慮其力學性能不低 干球殼板材料的力學性能，且可焊性良好，經(jīng)消除應力退火后，強度和韌性沒有明顯下降。鍛件采用 16MnⅢ 。 4 結構設計 概況 球形儲罐（簡稱球罐）是一種儲存氣體、液體或液化氣體的球形壓力容器。由于它具有其他型式的儲罐無法比擬的優(yōu)點，因而被石油、化工、城鎮(zhèn)燃氣、冶金等工業(yè)領域和其他行業(yè)廣泛運用。 按 GBl2337《鋼制球形儲罐》規(guī)定，球罐和支柱各部分名稱如圖 3—1 和圖 3—2 所示： 江蘇工業(yè)學院本科生畢業(yè)設計（論文） 第 8 頁 ,共 58 頁 圖 球罐各部分名稱 球罐的分類 （ 1）按形狀分為圓球形和橢球形。 （ 2）按殼體層數(shù)分為單層殼體和雙層殼體。 （ 3）按球殼的組合方式分為純橘瓣式、純足球瓣式和足球橘瓣混合式 （ 4）按支承結構分為柱式支承和裙式支承。 球罐的構造 球罐由本體、支柱（承）及附件組成。 （ 1）球罐本體。球殼有環(huán)帶式（橘瓣式）、足示瓣式、混合式等結構形式。 （ 2）球罐支柱（承）有柱式及裙式兩種結構。 （ 3）球罐的附件有梯子平臺、人孔和接管、水噴淋裝置、隔熱和保冷設施、液面計、壓力表。 江蘇工業(yè)學院本科生畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁 ,共 58 頁 圖 支柱各 部分名稱 橘瓣式球罐的球殼劃分就像橘瓣，是一種最通用的形式。優(yōu)點是焊縫布置簡單，組裝容易，球殼板制造簡單，缺點是材料利用率低，焊縫較長。 對球罐的結構設計應包括以下幾點要求： （ 1）根據(jù)工藝參數(shù)的要求確定球罐結構的類型及幾何尺 （ 2）確定球殼的分帶和分片的型式 （ 3）確定各球殼板的幾何尺寸 （ 4）支撐型式的確定 （ 5）人孔和接管的選定和布置 （ 6）球罐各附件的設置（包括安全閥的計算）等 球殼的設計 球殼是球罐的主體，它是儲存物料和承受物料工作壓 力和液柱壓力的構件。 各種球罐的特點 球殼的具體的分帶和分塊數(shù)量參照 GB／ T17261。 （ 1）橘瓣式見圖 和圖 （ 2）混合式見圖 和圖 江蘇工業(yè)學院本科生畢業(yè)設計（論文） 第 10 頁 ,共 58 頁 圖 四帶球罐 圖 五帶球罐 圖 三帶球罐 圖 四帶球罐 橘瓣式球殼的設計 純橘